沈 秀 鋒

(中鐵二局城通公司，四川 成都 610000)

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掘進(jìn)過程中盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)出現(xiàn)較大偏差的檢核方法

沈 秀 鋒

(中鐵二局城通公司，四川 成都 610000)

結(jié)合工程實(shí)例，分析了盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，測(cè)量導(dǎo)向系統(tǒng)發(fā)生故障后盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的測(cè)量方法，主要采用盾構(gòu)機(jī)特征點(diǎn)測(cè)量、水平線分中法、擬合圓心法，測(cè)出了盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)，通過綜合比較三種方法的測(cè)量結(jié)果，得出了盾構(gòu)機(jī)的實(shí)際姿態(tài)。

盾構(gòu)機(jī)，測(cè)量系統(tǒng)，水平分中法，VMT系統(tǒng)

0 引言

隨著我國(guó)城市現(xiàn)代化程度的不斷提高，越來越多的城市都加快了地鐵的建設(shè)步伐，盾構(gòu)機(jī)的正常推進(jìn)對(duì)地鐵的順利建設(shè)又起著至關(guān)重要的作用。本文主要講述了在地鐵建設(shè)中盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中測(cè)量導(dǎo)向系統(tǒng)發(fā)生故障后盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)(空間位置)出現(xiàn)較大偏差的情況下如何測(cè)出盾構(gòu)機(jī)的真實(shí)姿態(tài)。要測(cè)量盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)只有在始發(fā)前對(duì)盾構(gòu)機(jī)的外殼進(jìn)行測(cè)量，這樣得出的數(shù)據(jù)才是最直接、最可信的。然而盾構(gòu)機(jī)始發(fā)后已經(jīng)進(jìn)入地層，無法測(cè)量其外殼，只能通過測(cè)量盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部的一些特殊部位間接推算出整個(gè)盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)。本文以廣州地鐵7-6標(biāo)為例，通過以下幾種方法對(duì)盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部特殊部位的測(cè)量，通過相互比較后得出盾構(gòu)機(jī)的實(shí)際姿態(tài)。

1 工程概況

2014年12月初，廣州地鐵7-6標(biāo)右線盾構(gòu)機(jī)始發(fā)，在掘進(jìn)到10環(huán)左右時(shí)測(cè)量導(dǎo)向系統(tǒng)不時(shí)出現(xiàn)故障，在對(duì)故障進(jìn)行排除后發(fā)現(xiàn)盾構(gòu)機(jī)顯示姿態(tài)與線路方向不一致(線路方向?yàn)橹本€，導(dǎo)向系統(tǒng)顯示為前點(diǎn)-210 mm，后點(diǎn)-90 mm)，如圖1所示。

為查找原因,首先確定了分四步進(jìn)行檢查：1)檢核線路中心線數(shù)據(jù)；2)復(fù)核導(dǎo)線控制網(wǎng)；3)檢查吊籃坐標(biāo)；4)人工檢查盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)(本文主要講述了第4點(diǎn)，采用多種方法測(cè)量后相互印證盾構(gòu)機(jī)真實(shí)的姿態(tài))。

2 原因排查

2.1 檢核線路中心線數(shù)據(jù)

首先復(fù)核輸入自動(dòng)導(dǎo)向系統(tǒng)的線路中心線數(shù)據(jù)是否正確。以設(shè)計(jì)圖紙為依據(jù)，按盾構(gòu)區(qū)間隧道起始里程每1 m計(jì)算線路中心線三維坐標(biāo)，把計(jì)算后的結(jié)果與導(dǎo)向系統(tǒng)內(nèi)的線路中心線三維坐標(biāo)進(jìn)行比對(duì)。經(jīng)比對(duì)后差值均小于1 mm，屬于計(jì)算過程中小數(shù)點(diǎn)保留位數(shù)導(dǎo)致。

結(jié)論：可以排除線路中心線數(shù)據(jù)輸入錯(cuò)誤的可能性。

2.2 聯(lián)系測(cè)量(復(fù)核導(dǎo)線控制網(wǎng))

以業(yè)主交樁的控制點(diǎn)VIIJ041，VIIJ043為起算邊，引測(cè)至近井點(diǎn)YK，SF，采用吊鋼絲的方法對(duì)鋼絲1(GS1)、鋼絲2(GS2)進(jìn)行觀測(cè)。井下以GS1，GS2為起算點(diǎn)，進(jìn)行無定向?qū)Ь€測(cè)量，重新測(cè)量隧道起始控制點(diǎn)Y2，Y3，并與以前測(cè)量成果進(jìn)行對(duì)比(見表1)。

表1 聯(lián)系測(cè)量坐標(biāo)對(duì)照表

結(jié)論：兩次測(cè)量較差在誤差范圍內(nèi)，說明地下控制點(diǎn)坐標(biāo)無誤，采用兩次測(cè)量成果的平均值為起算邊控制盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)。

2.3 吊籃坐標(biāo)復(fù)核

在確認(rèn)地下控制點(diǎn)坐標(biāo)無誤后對(duì)隧道內(nèi)VMT導(dǎo)向系統(tǒng)激光站和后視站吊籃坐標(biāo)進(jìn)行了復(fù)核。以Y2，Y3兩次聯(lián)系測(cè)量成果的平均值為測(cè)量控制點(diǎn)，測(cè)得激光站和后視站吊籃坐標(biāo)，并與VMT導(dǎo)向系統(tǒng)內(nèi)的坐標(biāo)進(jìn)行對(duì)比(見表2)。

結(jié)論：較差在限差范圍內(nèi)，說明吊籃坐標(biāo)無誤。

2.4 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)測(cè)量

表2 吊籃測(cè)量坐標(biāo)對(duì)比表

要測(cè)量盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)只有在始發(fā)前對(duì)盾構(gòu)機(jī)的外殼進(jìn)行測(cè)量，這樣得出的數(shù)據(jù)才是最直接、最可信的。然而盾構(gòu)機(jī)始發(fā)后已經(jīng)進(jìn)入地層，無法測(cè)量其外殼，只能通過測(cè)量盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部的一些特殊部位間接推算出整個(gè)盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)。本文主要講述了通過采用以下三種方法對(duì)盾構(gòu)機(jī)內(nèi)部特殊部位進(jìn)行測(cè)量，由于都是間接的方法，所以需要將幾種方法測(cè)出的成果進(jìn)行對(duì)比，提高測(cè)量成果的可信度。

方法1：盾構(gòu)機(jī)特征點(diǎn)測(cè)量。

因在盾構(gòu)機(jī)出廠時(shí)，廠家在盾構(gòu)機(jī)上已經(jīng)設(shè)置了一些固定的特征點(diǎn)，通過對(duì)這些特征點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，根據(jù)廠家提供的特征點(diǎn)與盾構(gòu)機(jī)的幾何關(guān)系經(jīng)過計(jì)算后可得出盾構(gòu)機(jī)的姿態(tài)，首先對(duì)廠家布設(shè)的特征點(diǎn)進(jìn)行了測(cè)量，主要測(cè)量了2號(hào)、4號(hào)、6號(hào)、8號(hào)特征點(diǎn)(見表3)。

表3 盾構(gòu)機(jī)特征點(diǎn)測(cè)量表

經(jīng)過特征點(diǎn)相對(duì)位置關(guān)系計(jì)算得出盾首中心三維坐標(biāo)為X:15 911.568 3，Y:46 317.064 59，Z:1.079，相對(duì)線路中線的位置關(guān)系為水平:-187，垂直：-4，盾尾中心三維坐標(biāo)為X:15 908.237 8，Y:46 312.073 8，Z:1.198，相對(duì)線路中線的位置關(guān)系為水平：-204 mm，垂直：-17 mm，經(jīng)過計(jì)算測(cè)量特征點(diǎn)的姿態(tài)與VMT顯示的姿態(tài)進(jìn)行了對(duì)比(見表4)。

表4 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)對(duì)比表(一)

結(jié)論：高程、盾尾姿態(tài)較差在限差范圍內(nèi)，但是盾首水平姿態(tài)較差達(dá)97 mm，說明存在問題。針對(duì)此種情況決定采用另外兩種方法對(duì)盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行姿態(tài)測(cè)量(水平線分中法和擬合圓心法)。

方法2：水平線分中法。

此方法是在盾構(gòu)機(jī)的尾部同一個(gè)截面下先通過水準(zhǔn)儀找出兩個(gè)標(biāo)高一樣的點(diǎn)(圖2中的測(cè)點(diǎn)1和測(cè)點(diǎn)5)，再測(cè)量出這兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)和高程，這樣可以先計(jì)算出這兩個(gè)點(diǎn)的中點(diǎn)(也就是盾尾中心)，再以此點(diǎn)旋轉(zhuǎn)90°，根據(jù)廠家提供的盾尾至盾首的長(zhǎng)度可得出盾首中心坐標(biāo)和高程。經(jīng)計(jì)算得出相對(duì)線路中線的位置關(guān)系為盾首(水平：-193 mm)，盾尾(水平：-194 mm)，如圖2所示。

經(jīng)過計(jì)算把水平線分中法的姿態(tài)與VMT顯示的姿態(tài)進(jìn)行了對(duì)比(見表5)。

方法3：擬合圓心法。

此方法是在盾尾同一截面上測(cè)量多個(gè)點(diǎn)的三維坐標(biāo)通過列方程組的方法或?qū)I(yè)計(jì)算軟件得出盾尾的中心三維坐標(biāo)和截面的方位角，再以盾尾的中心坐標(biāo)和截面方位角推算出盾首的三維坐標(biāo)。經(jīng)計(jì)算得出相對(duì)線路中線的位置關(guān)系為盾首水平：-187 mm，盾尾-193 mm。擬合圓心法示意圖見圖3。

表5 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)對(duì)比表(二)

經(jīng)過計(jì)算把擬合圓心法的姿態(tài)與VMT顯示的姿態(tài)進(jìn)行了對(duì)比(見表6)。

表6 盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)對(duì)比表(三)

通過以上三種方法實(shí)測(cè)出的盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)最大較差為11 mm，但與VMT的姿態(tài)相對(duì)比后，盾體的前點(diǎn)水平相差大，達(dá)到103 mm，可得出VMT上顯示的前點(diǎn)水平姿態(tài)是錯(cuò)誤的，同時(shí)也說明本文中所采用的三種方法用來測(cè)量盾構(gòu)姿態(tài)是可行的。

三種人工復(fù)核盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)方法的成果對(duì)比見表7。

表7 三種人工復(fù)核盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)成果對(duì)比

2.5 采取措施

通過以上方法確定導(dǎo)向系統(tǒng)VMT顯示錯(cuò)誤的原因后，查找到在VMT導(dǎo)向系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置內(nèi)的“激光靶”菜單下“偏航角”欄內(nèi)的數(shù)據(jù)輸入錯(cuò)誤，正確數(shù)值為“25 mm/m”(以前錯(cuò)誤數(shù)值為22.5 mm/m)。更正該處錯(cuò)誤數(shù)值后盾構(gòu)機(jī)VMT系統(tǒng)顯示姿態(tài)結(jié)果與實(shí)測(cè)姿態(tài)成果最大較差4 mm(見表8)。

表8 更正后姿態(tài)對(duì)比表

表9 修正參數(shù)后盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)對(duì)比表

位置關(guān)系VMT顯示姿態(tài)人工復(fù)核姿態(tài)差值后點(diǎn)前點(diǎn)后點(diǎn)前點(diǎn)后點(diǎn)前點(diǎn)備注水平-204-168-199-179-511垂直-8-12-17-49-8

修正設(shè)置的參數(shù)后，決定讓盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)一環(huán)后再次采用水平分中法來測(cè)量盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)(見圖4)，檢查與自動(dòng)測(cè)量系統(tǒng)的差值，測(cè)量結(jié)果如表9所示。

3 結(jié)語

通過以上三種方法解決了盾構(gòu)機(jī)在始發(fā)后無法通過測(cè)量盾體來獲得盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)的困難，三種方法測(cè)量出的最大誤差為盾尾水平為11 mm，能夠滿足在盾構(gòu)推進(jìn)過程中的要求。該方法可借鑒到其他盾構(gòu)施工項(xiàng)目中遇到類似問題的施工。

Examination methods of shield machine posture deviation in digging process

Shen Xiufeng

(China Railway 2nd Bureau Chengtong Company, Chengdu 610000, China)

Combining with engineering examples, the paper analyzes the shield machine posture measurement method when the measurement and guidance system fails to work in shield machine digging process, and measures shield machine posture by applying shield machine characteristic point measurement, horizontal moderating method and simulating center algorithm method. Through comprehensively compares measurement results of three kinds of methods, it finally obtains actual posture of the shield machine.

shield machine, measurement system, horizontal moderating method, VMT system

1009-6825(2016)12-0206-03

2016-02-17

沈秀鋒(1979- )，男，助理工程師

TU198

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